CN112835031B - 一种面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，包括探地雷达系统以及加速度传感器系统；所述探地雷达系统接收的雷达反射波在材料介质中旅行时,旅行时间与材料介质的介电常数εr，由关系式确定；C是雷达反射波即电磁波在真空中的行进速度，h是材料介质层厚度，当仓面碾压后，h确定，t为旅行时间；根据介电常数和孔隙率的对应关系，得到孔隙率；所述加速度传感器系统感应碾压机的碾轮的垂直方向上振动的加速度值，得出压实度，综合孔隙率与压实度得出综合施工质量。应用本技术方案可实现为面板堆石坝压实质量控制提供新的、更精确的实时监测指标，从而有效地提高施工质量控制水平。
Description
技术领域
本发明涉及面板堆石坝质量检测领域，具体是指一种面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法。
背景技术
面板堆石坝为采用堆石体作为支承结构、且在其上游表面浇筑混凝土面板作为防渗结构的一种坝型，压实质量是面板堆石坝施工质量控制的关键指标之一，因此在施工过程中必须对压实质量进行检测和评价。由于面板堆石坝采用分层堆石、分层碾压进行施工碾压工作，因此摊铺碾压厚度较深、土石料中块石粒径较大、施工速度快；同时碾压所用的土石料是粒径大小不均的块石及碎石，所以工程现场广泛采用试坑实验检测方法来检测面板堆石坝的碾压密度。该方法存在容易造成工作面损伤、占用施工面时间长影响现场施工、检测效率低下、检测成本高以及有限个测点无法全仓面评价压实质量等问题；同时国内外目前开展的采用加速度计进行压实质量分析研究工作中，如CV等压实连续检测指标与坝料压实质量(密度、压实度或孔隙率)之间的关系存在相当的误差，单纯用连续检测指标控制事后压实质量也同样会存在偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，为面板堆石坝压实质量控制提供新的、更精确的实时监测指标，从而有效地提高施工质量控制水平。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，包括探地雷达系统以及加速度传感器系统；
所述探地雷达系统接收的雷达反射波在材料介质中旅行时,旅行时间与材料介质的介电常数εr，由关系式确定；C是雷达反射波即电磁波在真空中的行进速度，h是材料介质层厚度，当仓面碾压后，h确定，t为旅行时间；通过开展大量的室内压实试验和现场检测试验,得到坝料的介电常数与孔隙率的对应关系，/>P为孔隙率；根据介电常数和孔隙率的对应公式，得到孔隙率；；
所述加速度传感器系统感应碾压机的碾轮的垂直方向上振动的加速度值，时间序列以1s为时间窗，通过傅里叶变换算法得到加速度信号的频谱，由二阶幅值与基幅之比乘以一个固定值500作为CV值；计算公式如下：
CV＝a×A4/A2 (1)
其中CV值为压实度，a为500，A2为加速度信号频谱分析得到的二次谐波频率对应的幅值，A4为二次谐波频率对应的幅值；
计算施工质量综合评价指标值：
Q＝α·P'+β·(1-q')×2.48 (2)
其中，P'和q'分别CV值和孔隙率指标值，Q为压实质量综合指标值，α和β分别为P'和q'的权重，根据专家经验打分情况，设置权重大小为0.4和0.6，当P'≥2.1以及q'≤15％则孔隙率和压实质量合格，Q≥2.1则综合施工质量合格。
在一较佳的实施例中，所述探地雷达系统包括信号发射装置、信号接收装置、发射天线、接收天线以及控制装置；所述信号发射装置以及信号接收装置连接所述控制装置；所述发射天线连接所述信号发射装置，所述接收天线连接所述信号接收装置；所述控制装置发送地探信号至所述信号发射装置，所述信号发射装置使所述发射天线向地下发射电磁波信号，一部分电磁波信号经过空气耦合或者与地面反射后直接传输到接收端，另一部分电磁波信号向地下方向继续传播，信号接收系统利用接收天线接收回波信号即雷达反射波并发送至控制装置对回波信号进行放大、去噪声、模数转换处理形成数字信号。
在一较佳的实施例中，所述加速度传感器系统的加速度传感器的灵敏度主轴与其测量放线重合。
在一较佳的实施例中，所述加速度传感器设置于所述碾压机的碾轮中轴上，用于感应碾轮振动信号。
在一较佳的实施例中，所述加速度传感器与所述碾压机的碾轮软连接。
在一较佳的实施例中，所述加速度传感器与所述碾压机的碾轮通过黄油、凡士林或橡皮泥连接。
在一较佳的实施例中，连接所述加速度传感器的导线通过橡皮泥固定于碾压机上。
在一较佳的实施例中，所述加速度传感器系统包括惯性导航传感器，所述惯性导航传感器设置于所述碾压机的顶部，用于感应所述碾压机的姿态信息。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本专利提出一种应用于水利水电工程施工，面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，采用的探地雷达技术以及加速度传感器技术具有无损、快速、简易的突出优点，克服传统试坑试验等检测方法存在的检测效率慢、劳动强度大、且为破坏性实验等不足，有效地提高了工作效率和水利工程施工的控制水平，保证基础压实的工程质量，可获得明显的经济效益和社会效益。施工质量评价过程中同时考虑了加速度传感器得到的CV值和探地雷达得到的孔隙率两个压实质量评价指标，压实质量评价的结果更为准确、合理和综合。
附图说明
图1为本发明优选实施例中面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法流程图；
图2为本发明优选实施例中探地雷达系统原理图；
图3为本发明优选实施例中加速度传感器系统原理图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，包括探地雷达系统以及加速度传感器系统。
具体来说，参考图1，所述探地雷达系统接收的雷达反射波在材料介质中旅行时,旅行时间与材料介质的介电常数εr，由关系式确定；C是雷达反射波即电磁波在真空中的行进速度，h是材料介质层厚度，当仓面碾压后，h确定，t为旅行时间是可变的，这说明沥青混合料的介电常数仅是电磁波在其中旅行时间的一次函数,当通过探地雷达测知了旅行时间t后,即能得到堆石料的介电常数。随机根据介电常数和孔隙率的对应关系，得到孔隙率。
所述加速度传感器系统感应碾压机的碾轮的垂直方向上振动的加速度值，时间序列以1s为时间窗，通过傅里叶变换算法得到加速度信号的频谱，由二阶幅值与基幅之比乘以一个固定值500作为CV值；计算公式如下：
CV＝a×A4/A2 (1)
其中CV值为压实度，a为500；
计算施工质量综合评价指标值：
Q＝α·P'+β·(1-q')×2.48 (2)
其中，P'和q'分别CV值和孔隙率指标值，Q为压实质量综合指标值，α和β分别为P'和q'的权重，当P'≥2.1以及q'≤15％则孔隙率和压实质量合格，Q≥2.1则综合施工质量合格。
参考图2，所述探地雷达系统包括信号发射装置2、信号接收装置3、发射天线4、接收天线5以及控制装置1；所述信号发射装置2以及信号接收装置3连接所述控制装置1；所述发射天线4连接所述信号发射装置2，所述接收天线5连接所述信号接收装置3；所述控制装置1发送地探信号至所述信号发射装置2，所述信号发射装置2使所述发射天线4向地下发射电磁波信号，所述电磁波信号在106～109Hz之间；一部分电磁波信号经过空气耦合或者与地面反射后直接传输到接收端，另一部分电磁波信号向地下方向继续传播，信号接收系统3利用接收天线5接收回波信号即雷达反射波并发送至控制装置1对回波信号进行放大、去噪声、模数转换处理形成数字信号。电磁波信号在传播时如果遇到非均匀介质或者由不同材料组成的介质面时会发生反射和折射现象，所以当地面内部组成结构不完全相同时会返回不同的回波信号，接收系统利用天线接收回波信号，经过硬件电路对信号进行放大、去噪声、模数转换处理产生机器可识别的数字信号。
探地雷达利用超宽带脉冲电磁波对路面结构层进行探测，当雷达发射天线发射的电磁波在路面结构层中传播时会在介电特性突变处产生反射和透射，反射回来的波经由接收天线接收并转化为数字信号储存起来，通过分析探地雷达回波信号来估计路面结构层的性质、状态和位置等特征。
具体来说，所述的加速度传感器系统中的加速度传感器是一内装ICP电路的压电式加速度传感器。它是在传统压电式加速度传感器的电荷输出端接有一个以场效应管为核心的内装电路，其输出和恒流源供电线同是一根线。利用压电晶体正压电效应输出的高阻电量，经内部ICP阻抗变换后输出一个与机械量成正比的低阻电压信号(±5V)，可直接进入各类二次仪表进行读数或记录。原理示意如图3所示。
所述加速度传感器系统的加速度传感器的灵敏度主轴与其测量放线重合。根据待测轮振动的位置和方向，确定传感器的安装位置。安装传感器时，必须考虑到使其灵敏度主轴与测量方向重合，横向灵敏度与受横向影响最大方向一致，这样测得的纵向输出信号受到的影响最小。所述加速度传感器设置于所述碾压机的碾轮中轴上，用于感应碾轮振动信号。
所述加速度传感器与所述碾压机的碾轮软连接。具体来说，所述加速度传感器与所述碾压机的碾轮通过黄油、凡士林或橡皮泥连接。
连接所述加速度传感器的导线通过橡皮泥固定于碾压机上，以防止由于电缆振动产生摩擦而引起的“电效应”，造成电噪声。在安装振动加速度传感器时候，将其灵敏度主轴与测量方向即纵向重合，通过软连接方式固定在振动轮上，同时将用于传递加速度信号的同轴电缆与振动轮保持相对固定，从而尽量保证加速度传感器采集信号的测试精度。
具体来说，所述加速度传感器系统包括惯性导航传感器，所述惯性导航传感器设置于所述碾压机的顶部，用于感应所述碾压机的姿态信息。包括碾压机航向和碾压机机身倾斜角度。所感知的仓面施工作业信息具体为：碾轮振动信号。碾轮振动信号由布置于碾压机碾轮中轴上的加速度传感器来获得。该信号的具体形式为碾轮的垂直方向上振动的加速度值时间序列。加速度传感器检测频率>100Hz。
碾轮振动信号由布置于碾压机碾轮中轴上的加速度传感器来获得碾压参数是控制碾压质量的重要指标，采用GPS定位技术和线段生成技术得到碾压遍数、碾压速度和碾压厚度；一般要求碾压速度介于1km/h-3km/h，碾压遍数至少为8遍、压实厚度为30cm左右。
本专利提出一种应用于水利水电工程施工，面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，采用的探地雷达技术以及加速度传感器技术具有无损、快速、简易的突出优点，克服传统试坑试验等检测方法存在的检测效率慢、劳动强度大、且为破坏性实验等不足，有效地提高了工作效率和水利工程施工的控制水平，保证基础压实的工程质量，可获得明显的经济效益和社会效益。施工质量评价过程中同时考虑了加速度传感器得到的CV值和探地雷达得到的孔隙率两个压实质量评价指标，压实质量评价的结果更为准确、合理和综合。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (8)
1.一种面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，其特征在于包括探地雷达系统以及加速度传感器系统；
所述探地雷达系统接收的雷达反射波在材料介质中旅行时,旅行时间与材料介质的介电常数εr，由关系式确定；C是雷达反射波即电磁波在真空中的行进速度，h是材料介质层厚度，当仓面碾压后，h确定，t为旅行时间；通过开展大量的室内压实实验和现场检测试验,得到坝料的介电常数与孔隙率的对应关系，/>P为孔隙率；根据介电常数和孔隙率的上述对应关系，得到孔隙率；
所述加速度传感器系统感应碾压机的碾轮的垂直方向上振动的加速度值，时间序列以1s为时间窗，通过傅里叶变换算法得到加速度信号的频谱，由二阶幅值与基幅之比乘以一个固定值500作为CV值；计算公式如下：
CV＝a×A4/A2 (1)
其中CV值为压实度，a为500，A2为加速度信号频谱分析得到的二次谐波频率对应的幅值，A4为二次谐波频率对应的幅值；
计算施工质量综合评价指标值：
Q＝α·P'+β·(1-q')×2.48 (2)
其中，P'和q'分别CV值和孔隙率指标值，Q为压实质量综合指标值，α和β分别为P'和q'的，根据专家经验打分情况，设置权重大小为0.4和0.6，当P'≥2.1以及q'≤15％则孔隙率和压实质量合格，Q≥2.1则综合施工质量合格。
2.根据权利要求1所述的面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，其特征在于，所述探地雷达系统包括信号发射装置、信号接收装置、发射天线、接收天线以及控制装置；所述信号发射装置以及信号接收装置连接所述控制装置；所述发射天线连接所述信号发射装置，所述接收天线连接所述信号接收装置；所述控制装置发送地探信号至所述信号发射装置，所述信号发射装置使所述发射天线向地下发射电磁波信号，一部分电磁波信号经过空气耦合或者与地面反射后直接传输到接收端，另一部分电磁波信号向地下方向继续传播，信号接收系统利用接收天线接收回波信号即雷达反射波并发送至控制装置对回波信号进行放大、去噪声、模数转换处理形成数字信号。
3.根据权利要求2所述的面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，其特征在于，所述加速度传感器系统的加速度传感器的灵敏度主轴与其测量放线重合。
4.根据权利要求3所述的面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，其特征在于，所述加速度传感器设置于所述碾压机的碾轮中轴上，用于感应碾轮振动信号。
5.根据权利要求4所述的面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，其特征在于，所述加速度传感器与所述碾压机的碾轮软连接。
6.根据权利要求5所述的面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，其特征在于，所述加速度传感器与所述碾压机的碾轮通过黄油、凡士林或橡皮泥连接。
7.根据权利要求6所述的面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，其特征在于，连接所述加速度传感器的导线通过橡皮泥固定于碾压机上。
8.根据权利要求7所述的面向智能碾压的面板堆石坝压实质量无损检测方法，其特征在于，所述加速度传感器系统包括惯性导航传感器，所述惯性导航传感器设置于所述碾压机的顶部，用于感应所述碾压机的姿态信息。
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- 2020-09-11 CN CN202010955383.3A patent/CN112835031B/zh active Active
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| 沥青混凝土心墙堆石坝摊铺及压实质量实时控制研究;吴优;中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑;全文 * |
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